《化工生产基础理论》PPT课件.ppt

化工生产基础理论 Basic Theory of Chemical Production 化学工业出版社 总教学目标 知识目标 能力目标 素质目标 化学工业出版社 知识目标 1.了解催化剂在工业生产中的应用、组成与 性能。 2.了解化工生产过程中常用的经济评价指 标。 3.理解催化剂的基本特征。 化学工业出版社 1 2 3 1.能进行物 料衡算和能 量衡算。 2.能进行经 济评价指标 的计算。 3.能对化工 产品生产过 程的工艺因 素等进行分 析。 能力目标 化学工业出版社 素质目标 2.掌握正确的学习方法，熟悉化工 生产技术发展的特点，做一名适应 现代化工发展的人才。 1.能分析解释社会生活中与化 工生产相关的有关事件、现象 ，具备辩证唯物的思考能力。 化学工业出版社 第二节 化工生产过程常用经济评价指标 General Economic Evaluating Indicators in the Chemical Production Process 第一节 工业催化剂及使用 The Industrial Catalysts and Application 第四节 影响化学反应过程的因素 Influencing Factors in the Chemical Reaction Process 第三节 化工生产过程物料衡算和能量衡算 Mass Balance and Heat Balance of Chemical Process 主要内容 化学工业出版社 第一节 工业催化剂及使用 The Industrial Catalysts and Application 化学工业出版社 技能目标： 1.能对催化剂进行装填、更换、活化等操作。 2.能根据反应特点进行催化剂的选择。 应用知识 1.催化 剂的基 本特征 。 2.催化剂的 种类、组成 、使用及发 展。 3.催化剂 的制备方 法。 应用知识 化学工业出版社 定义 催化剂（catalyst） 在化学反应体系中，因加入了某种物质而使 化学反应速率发生改变，但该物质的数量和 化学性质在反应前后不发生变化 。 负催化剂或抑制剂（negative catalyst &inhibitor ） 能明显降低反应速率的物质。 化学工业出版社 内 涵 v催化剂的组成、特征与制备(formulation、 features and preparation methods of catalyst ) 催化剂基本特征、催化剂组成与性能、催化剂 的制备方法等。 v催化剂的使用技术（the usage of industrial catalyst ） 催化剂的失活和再生、催化剂的装填和卸出 。 化学工业出版社 内 涵 v许多类型的材料，包括金属、化合物(如金属氧 化物、硫化物、氮化物、沸石分子筛等)、有机 金属配合物和酶等，都可以作为催化剂。 v催化剂并非所有部分都参与反应物到产物间的 转化，催化作用是催化剂活性中心对反应物分 子的激发与活化 。 化学工业出版社 一、催化剂的基本特征 Basic Features of Catalyst 化学工业出版社 *13 基本特征 1.催化剂只能 改变化学反应 的速率，缩短 到达平衡的时 间，却不能改 变化学平衡的 状态，即不能 改变平衡常数 。 2.催化剂只 能加速热力 学上可能进 行的化学反 应，而不能 加速热力学 上不能进行 的反应。 3.催 化剂 具有 较强 的选 择性 。 4.催 化剂 具有 一定 的使 用寿 命。 化学工业出版社 二、催化剂的组成与性能 Formulation & Performance of Catalyst 化学工业出版社 二、催化剂的组成与性能 生物催化剂 生物催化剂:即酶催化剂，是活性细胞和游离酶或固定 化酶的总称。具有能在常温常压下反应、反应速度快、 催化作用专一、选择性高等优点，但是不耐热，易受某 些化学物质及杂菌的破坏而失活，稳定性差，寿命短， 对温度及PH值范围要求较高。 化学工业出版社 钯催化剂 雷尼镍催化剂 煤制天然气甲烷化催化剂 高浓度CO气体抗毒脱氧剂 非生物催化剂 化学工业出版社 二、催化剂的组成与性能 （1）液体催化剂的组成 液体催化剂分为酸碱型催化剂和金属配 合物催化剂。酸催化剂包括HCl、H2SO4.有机酸等 ；碱催化剂主要包括有机胺等。金属配合物催化 剂包括过渡金属配合物、电子受体配合物、过渡 金属及典型金属的配合物等。 化学工业出版社 催化剂的主要成分，起催化作 用的根本性物质。 能够提高活性组分的活性和选择 性，改善催化剂的耐热、抗毒、 机械强度和寿命等性能 。 催化剂的骨架 。 活性组分 助催化剂 载体 固体 催化 剂 （2）固体催化剂 化学工业出版社 （1）催化剂的活性 指催化剂改变化学反应速率的能力。是开发新型催 化剂和改进催化剂性能的主要目标之一。 （2）催化剂的选择性 指在催化反应过程中反应所消耗的原料转化为目的 产物的能力。选择性是催化剂的重要特性之一,催化剂 选择性越高说明得到目的产物的比率就越高。 2.工业催化剂的性能指标 化学工业出版社 （3）比表面 通常把1g催化剂所具有的表面积称为该催化剂的比表面积，单位 m2/g。 （4）催化剂的稳定性(寿命) 指催化剂在反应条件下维持一定活性和选择件水平的时间(单程寿 命)，或者加上每次下降后经再生而又恢复到许可水平的累计时间 (总寿命)，是衡量催化剂的活性和选择性随时间变化情况的指标 。 a热稳定性 催化剂在反应条件下对热破坏的耐受力。 b化学稳定性 催化剂的化学组成和化合状态在使用条件下 发生变化的难易程度 c机械稳定性 固体催化剂颗粒有抵抗摩擦、冲击、重力的 作用以及耐受温度、相变应力的能力。 d耐毒性 即催化剂对有毒物质的抵抗力。 2.工业催化剂的性能指标 化学工业出版社 三、催化剂制备方法简介 Preparation Methods of Catalyst 化学工业出版社 1.沉淀法 是最常用的催化剂制备方法。 金属 盐水 溶液 固 体 沉 淀 过 滤 沉淀剂 洗 涤 干 燥 培 烧 粉 碎 催 化 剂 化学工业出版社 是将一种或几种活性组分载于载体上的技术。 将载体浸泡于含有活性组分的溶液中，金属盐类溶液吸 附或贮存在载体毛细管中，除去过剩的溶液，经干燥、燃 烧和活化，可制得催化剂产品。 是制造多组分工业催化剂最简便的方法。 将粉末细粒状的两种或两种以上催化剂在球磨机或碾子上 经机械混合后，再经干燥、焙烧和还原等操作制得的产品 。 2.浸渍法 3.混合法 三、催化剂制备方法简介 化学工业出版社 四、工业生产对催化剂的一般要求 General Requirements of Catalyst in the Industrial Production 化学工业出版社 一般要求 1. 具 有 较 高 活 性 2.较 好的 选择 性和 稳定 性 3.催化 剂的形 貌与大 小，必 须与相 应的反 应过程 相适应 4.机 械强 度要 高 5. 抗 毒 性 能 好 6. 耐 热 性 好 7. 使 用 寿 命 长 化学工业出版社 五、工业催化剂的使用 The Usage of Industrial Catalyst 化学工业出版社 1.活化 （1）活化方法各异 （2）温度控制非常重要 2.催化剂的失活 （1）物理因素 （2）化学因素 3.催化剂的再生 4.工业固体催化剂的使用 （1）固体催化剂的装填 （2）固体催化剂的卸出 化学工业出版社 第二节 化工生产过程 常用经济评价指标 General Economic Evaluating Indicators in the Chemical Production Process 化学工业出版社 技能目标： v 1.能进行转化率、选择性和收率等的计算； v 2.能进行生产强度、生产能力等计算； 应用知识 1.转化 率、选择 性和收率 ； 2.生产强度、 生产能力等； 3.消耗定 额等。 应用知识 化学工业出版社 主要内容 一、转化率、选择性和收率 Conversion rate, Selectivity and Yield 三、工艺技术经济评价指标 Technical and Economic Evaluating Indicators 二、生产能力与生产强度 Production Capacity & Production Intensity 化学工业出版社 一、转化率、选择性和收率 1.转化率 参加化学反应的某种原料量占通入反应体系的该种 原 料总量的百分率。 （1）单程转化率 参加反应的原料量占通入反应器原料总量的百分率。 （2）总转化率 参加反应的原料量占通入反应体系原料总量的百分数 。 （3）平衡转化率 指某一化学反应达到平衡状态时，转化为目的产物的 原 料占该种原料量的百分比。 化学工业出版社 2.选择性 100%选择性 = 实际所得的目的产物量 以某种反应原料的转化总量 计算得到的目的产物理论量 生成目的产物的某反应物的量 该反应物的总转化量 100% = 一、转化率、选择性和收率 化学工业出版社 3.收率 （1）单程收率 单程收率= 生成目的产物所耗的某种反应物量 输入到反应器的某反应物的量 100% （2）单程质量收率 单程质量收率= 生成目的产物的质量 投入反应器的某种原料的质量 100% 一、转化率、选择性和收率 化学工业出版社 v一、转化率、选择性和收率 v v 4.转化率、选择性和单程收率间的关系 单程转化率选择性=单程收率 化学工业出版社 二、生产能力与生产强度 1.生产能力 指一定时间内直接参与企业生产过程的固定资产 ，在一定的工艺组织管理及技术条件下，所能生 产规定等级的产品或加工处理一定数量原材料的 能力。 两种表示方法： (1) 在单位时间(年、日、小时、分等)内生产的 产品数量，用单位kg/h、t/d或kt/a来表示 (2) 以加工原料的处理量来表示 化学工业出版社 二、生产能力与生产强度 2.生产强度 指设备的单位容积或单位面积(或底面积) 在单位时间内得到产物的数量，单位为 kg/(hm3), t/(dm3)或kg/(hm2), t/(dm2)。 化学工业出版社 三、工艺技术经济评价指标 Technical and Economic Evaluating Indicators 化学工业出版社 三、工艺技术经济评价指标 1.原料消耗定额 (1)理论消耗定额 将初始物料转化为具有一定纯度要求的 最终产品，按化学反应方程式的化学计量为基础计算的消耗 定额，用“A理”表示 。 (2)实际消耗定额 按实际生产中所消耗的原料量为基础计算 的消耗定额，用“A实”表示。 （A理/ A实）100%=原料利用率=1-原料损失率 2.公用工程的消耗定额 公用工程是指化工生产必不可少的供水、供热、冷冻、供电 和供气等。 化学工业出版社 第三节 化工生产过程 物料衡算和能量衡算 Mass Balance and Heat Balance of Chemical Process 化学工业出版社 应用知识： 1.物料衡算、能量衡算的概念及作用； 2.能量衡算、物料衡算的分类方法； 3.质量守恒定律原理； 4.能量守恒定律原理。 技能目标： 1.能够熟练进行化工生产过程的物料衡算； 2.能够熟练进行化工生产过程的能量衡算。 化学工业出版社 主要内容 二、能量衡算 Energy Accounting or Energy Balance 一、物料衡算 Mass Balance 化学工业出版社 1.物料衡算的理论基础 质量守恒定律 2.物料衡算的范围 物料衡算针对的体系可以人为选定 3.物料衡算基本方程式 输入物料的总质量=输出物料的质量+系统内积累 的物料质量+系统损耗的物料质量 或 (mi)入=(mi)出+(mi)积累+(mi）损耗 一、物料衡算 化学工业出版社 一、物料衡算 4.物料衡算的基本步骤 （1）画出物料衡算示意图，确定衡算范围 （2）写出化学反应式 （3）确定物料衡算任务 （4）收集、整理计算数据 （5）确定合适的计算基准 （6）列出方程组，求解 （7）整理、核对计算结果 化学工业出版社 化学过程物理过程 5.物料衡算 计算方法 除了建立总物料衡算式外 ，还可以对每一种组分分 别建立物料衡算式。 建立物料衡算式的方法必须考虑化学 反应中生成和消耗的物料量。有直接 计算法、衡算联系物法、终点衡算法 。 一、物料衡算 化学工业出版社 示例1 甲烷气蒸汽转化过程的物料衡算 某石化企业甲烷蒸汽转化车间，在装有催化剂的管式转化器 中进行甲烷转化反应。甲烷蒸汽转化的反应式为： CH4+H2O = CO+3H2 （3-4） CH4+CO2 =2CO+2H2 （3-5） CO+H2O = CO2+H2 （3-6） 水蒸气与甲烷的物质的量比为2.5，甲烷的转化率为75%， 蒸汽转化温度为500，离开转化器的混合气体中CO和CO2之 比以反应(3-6)达到化学平衡时的比率确定。已知500时， 式(3-6)的平衡常数为0.8333。若每小时通入的甲烷为1kmol ，求反应后气体混合物的组成。 化学工业出版社 管式反应器 CH4，1kmol/h H2O(g),2.5kmol/h CH4,0.25 kmol/h H2O(g),nH2O出 kmol/h CO , nCO kmol/h CO2 , nCO2kmol/h H2 , nH2kmol/h 1画出物料衡算流程图 2.确定计算基准 以1kmol/h甲烷 作计算基准。 进入转化器的H2O(g)量= 12.5=2.5 kmol/h 离开转化器的甲烷量=1（1-0.75）= 0.25 kmol/h 化学工业出版社 3.物料衡算 （1）碳元素平衡 nCH4入= nCO + nCO2 +nCH4出 即 1= nCO + nCO2 +0.25 nCO + nCO2=0.75 (1) （2）氧元素平衡 nH2O入= nCO + 2nCO2 +nH2O出 2.5= nCO + 2nCO2 +nH2O出 (2) （3）氢元素平衡 4 nCH4入+ 2 nH2O入= 4 nCH4出 +2nH2O出+2nH2 14+2.52=0.254+2nH2O出+2nH2 4= nH2O出+nH2 （3） xzxw xyxx =0.8333 求解得：nH2O出 =1.5 kmol/h nCO =0.5 kmol/h nCO2=0.25 kmol/h nH2=2.5 kmol/h 化学工业出版社 4.列出物料衡算表 化学工业出版社 示例2 粗甲醇预精馏塔的物料衡算 某石化企业年产50万吨/年精甲醇， 已知从合成 单元来的粗甲醇中：甲醇86.3%，低沸点杂质 3.6%，杂醇烷烃1.1%，高碳烷烃0.31%，水份 8.68%，试计算每年需要的粗甲醇量。 化学工业出版社 1画出物料衡算流程图 化学工业出版社 2. 选定计算基准 以1小时处理的粗甲醇量为计算基准 3物料衡算 （1）进入体系物料量 a.粗甲醇量 以一年生产330天计算，生产过程中无泄漏，则1小时处理 粗甲醇的量为： 其中： 甲醇 杂醇烷烃 高碳烷烃 化学工业出版社 其中： 低沸点杂质 水 b.碱液量 每吨粗甲醇消耗20%的碱液大约为3.73kg,则每小 时带入烧碱量： 同时随碱液带入的水量 ： c.萃取水量 萃取水量按进料量的20%计算： 化学工业出版社 (2)离开体系的物料量 a.塔顶馏出物 2633.468kg/h b.塔底排出预后物 73150-2633.468+54.57+218.27=70789.44kg/h 其中： 甲醇 63128.4kg/h 高碳烷烃 226.765kg/h 杂醇烷烃 804.65kg/h 总水 6290.9+218.27+14630=21139 化学工业出版社 4.物料衡算平衡表 化学工业出版社 示例3 乙苯硝化过程的物料衡算 某一化工企业年产300吨对硝基乙苯，采用间歇法 生产，原料乙苯纯度为95，混酸组成为：HNO3 32 ，H2SO4 56，H20 12。粗乙苯与混酸质量比1： 1.885。对硝基乙苯收率为50%，硝化产物为硝基乙苯 的混合物，对位：邻位：间位产物的比例为0.5： 0.44：0.06。配制混酸所用的原料H2SO4 93，HNO3 96及H20，假设转化率为100。试计算消耗的各种 原料量。 化学工业出版社 1.画出物料衡算流程图 乙苯，xkg 杂质 配酸硝化分离 对硝基乙苯，y1kg 邻硝基乙苯，y2kg 间硝基乙苯，y3kg HNO3，G2 kg H2SO4，M2kg H2O，Z2 kg 废酸 HNO3，G1kg H2SO4，M1kg H2O，Z1 kg 2.确定计算基准 以每天生产对硝基甲苯的质量为计算基准 化学工业出版社 3物料衡算 （1）进入体系物料量 a.原料乙苯 每天生产的对硝基乙苯 纯乙苯 原料乙苯 带入反应器的杂质 1478.6-1404.6=74kg b.混酸 混酸 1478.61.885=2787.2kg 纯硝酸 32%2787.2=891.9kg 96%的硝酸 891.9/0.96=929.1kg 纯硫酸 56%2787.2=1560.8kg 93%硫酸 1560.8/0.93=1678.3kg 加入水 2787.2-929.1-1678.3=179.8kg 化学工业出版社 （2）出反应体系的物料量 硝化产物 其中：对硝基乙苯 1999.90.5=1000kg 邻硝基乙苯 1999.90.44=880kg 间硝基乙苯 1999.90.06=120kg 废酸量 其中： 已反应硝酸 生成水 剩余硝酸 891.9-833.5=58.4kg 硫酸 1678.3kg 水 334.5+238.1=572.6kg 废酸总量 58.4+1678.3+572.6=2309.3kg 化学工业出版社 4.列出物料衡算表 化学工业出版社 二、能量衡算 1.能量衡算的依据 稳流体系的能量平衡方程： H+gz+1/2u2=Q+WS 若体系与环境之间无轴功交换，体系的动能 与位能变化可以忽略不计，上式可以变成： H=Q 化学工业出版社 12345 （1）确 定衡算 体系 （2）选定能量 衡算计算基准 一般以298.15K 为基准温度 （3）收 集、整理 有关数据（4）列出物 料平衡方程和 能量平衡方程 并计算求解 2.能量衡算的方法和步骤 （5）结果校验 化学工业出版社 示例4：甲烷气蒸汽转化过程的能量衡算 以示例1甲烷蒸汽转化为例。 1.画出物料流向及变化示意图 管式反应器 CH4，1kmol/h H2O(g),2.5kmol/h CH4，0.25kmol/h H2O(g)，1.50 kmol/h CO，0.50 kmol/h CO2，0.25 kmol/h H2，2.5 kmol/h 化学工业出版社 2.确定基准 以25为基准温度。 3.列出能量衡算方程 假设系统保温良好，Q损=0，根据题意，转化过程中需 向转化器提供的热量为： Q=H 其中H=Hi出-Hi入 Hi=niHFi+ niCP25-500t= ni (HFi+ CP25-500t) 化学工业出版社 4.查取手册得到有关热力学数据 各组分的标准生成焓HFi和25500间的平均 摩尔定压热容CP,m见下表： 化学工业出版社 5.计算 Hi入=-51689-2.5225214=-614724kJ/h Hi出=-0.2551689-1.5225214-0.596260- 0.25372273+2.513913=-159 kJ/h H=-457159+614724=157565 kJ/h 因此，Q=157565 kJ/h 如热量损失按5%计算，每小时提供的热量是： Q=157565 化学工业出版社 *66 应用知识与技能目标 应用知识： 1.物理因素对化学反应的影响。 2.各种工艺因素对化学反应的影响。 技能目标： 1.能对化学过程进行热力学分析； 2.能对化学反应进行动力学分析； 3.能运用所学知识对生产过程进行工 艺分析。 化学工业出版社 第四节 影响化学反应过程的因素 Influencing Factors in the Chemical Reaction Process 化学工业出版社 1 2 3 4 一、物理因素分析 Physical factors 二、热力学分析 Thermodynamic Analysis 三、动力 学分析 Kinetic Analysis 四、工艺参数的确定 Selection of Technological Conditions 主要内容 化学工业出版社 1.原料的影响 (1)原料的纯度 与杂质 (2)原料的配比 2.反应时间 的影响 4.反应物浓 度的影响 5.反应压力 的影响 一、物理因素分析 3.空间速度 与接触时间 的影响 化学工业出版社 二、热力学分析 1.化学反应可行性分析 (G)T,p 0，反 应不能自发进行 (G)T,p0，反 应处于平衡状态 2.化学反应平衡移动分析 (1)温度 吸热反应， 温度升高，反应向生 成物方向移动。放热 反应，H0，温度 下降，平衡向反应物 方向移动， (2)压力 压力升 高，反应平衡向 分子数减少的方 向移动 (3)反应物组成 化学工业出版社 三、动力学分析 1.温度对化学反应速率的影响 图3-5 反应速率与温度的关系 2.催化剂对反应速率的影响 催化剂是提高反应速率的一种最常用、也是很有效的办法 。 化学工业出版社 四、工艺参数的确定 1.温度的确定 (1)温度与化学反应速率的角度考虑 (2)温度变化对催化剂性能和使用影响的角度考虑 (3)温度对反应效果影响的角度来考虑 (4)温度对设备材质等因素约束的角度来考虑 2.压力的确定 (1)催化剂性能的角度考虑 (2)化学平衡的角度考虑 (3)生产安全角度考虑 化学工业出版社 四、工艺参数的确定 3.原料配比的确定 (1)从化学平衡的角度 (2)安全生产 4.停留时间的确定 (1)适当的转化率(或选择性等)所需的时间 (2) 催化剂的性能 化学工业出版社 案例1：吸热反应过程影响因素分析 -乙苯脱氢 一、基本原理 化学工业出版社 1.反应温度 工业生产上，适宜的温度为600左右。 2.反应压力 降低压力有利于脱氢反应。总压则采用略高于常压以克服 系统阻力，同时为了维持低压操作，应尽可能减小系统的阻力。 3.水蒸气用量 因此水蒸气与乙苯的比例应适当。一般绝热式反应器脱氢所 需水蒸气量约比等温列管式反应器脱氢大l倍左右。 4.原料纯度 要求原料乙苯沸程应在135136.5之间，二乙苯含量应 小于0.04。 5.空间速度 所以最佳空速范围应综合原料单耗、能量消耗及催化剂再生 周期等因素选择确定。 二、工艺条件的确定 化学工业出版社 三、工艺控制方案 图3-7 乙苯脱氢控制方案图 化学工业出版社 案例2：放热反应过程影响因素分析 -二氧化硫催化氧化转化成三氧化硫 一、二氧化硫催化氧化的基本原理 二氧化硫的氧化反应是在催化剂的存在下进 行的，是一个可逆、放热及体积缩小的反应： 其平衡常数可表示为： 化学工业出版社 二、反应热力学分析 化学工业出版社 三、动力学分析 波列斯科夫方程： 化学工业出版社 四、工艺条件的确定 1.原料气组成 工业生产上最常用的原料气组成为：SO2 7 8，O2 10.511，N2 82。 2.反应温度 图3-8 反应速率与温度的关系 图3-9温度与转化率的关系图 化学工业出版社 四、工艺条件的确定 3.反应压力 转化反应通常在常压下进行。 4.接触时间 通常接触时间为35s，最终转化率可达到9798。 图3-10 接触时间与转化率的关系 化学工业出版社 五、控制方案 图3-11 二氧化硫转化控制方案图 化学工业出版社 v 本章主要介绍内容：工业催化剂及应用、化工生产过程 常用经济评价指标、化工生产过程物料衡算和能量衡算 以及影响化学反应过程的因素。 v 1在化学反应体系中，因加入了某种物质而使化学反应速率 发生改变，但该物质的数量和化学性质在反应前后不发生变化 ，该物质称为催化剂，这种作用称为催化作用。 v 2催化剂的基本特征 v 3催化反应通常可分为均相和非均相两种。均相催化又可分 为气相催化和液相催化，其中最常见的是液相均相催化反应。 非均相催化反应可分为气-固相催化反应和液-固相催化反应， 其中气-固相反应最为常见。 v 4.固体催化剂主要由主活性物质、助催化剂和载体三部分组成 。 本章小结 化学工业出版社 v 7.工业催化剂常用的制备方法有沉淀法、浸渍法、混合法等。 v 8.转化率是指在化学反应